引子

上篇解析過的hashmap不是線程安全的，因此并發大師Doug Lea在jdk1.5增加了concurrenthashmap類以滿足開發者在多線程環境安全使用map的需要。concurrenthashmap作為多線程環境常使用的類，它是如何實現線程安全的？但是又為什么說它不能完全替代hashtable？弱一致性又是怎樣一回事？讀完這篇解析concurrenthashmap的文章，我相信你會對concurrenthashmap的方方面面有一定的了解。
涉及到源碼的分析，一般我們都是先分析數據結構，然后在分析算法，數據結結構和算法都理解了，那么你就了解了大部分內容。類似上篇hashmap，對concurrenthashmap的分析也分為三個部分：

• 第一部分：分析探究concurrenthashmap的數據結構。
• 第二部分：分析concurrenthashmap的重要算法實現。
• 第三部分：探究concurrenthashmap值得探討的問題。

為了簡單，跟hashmap類似的部分本文將一筆帶過，如果沒看過hashmap源碼可以看上篇文章集合源碼之hashmap，hashmap是concurrenthashmap的基礎，不建議沒讀過hashmap直接看本篇文章。本文分析的源碼采用的是concurrenthashmap較為簡單的jdk1.6版本。

concurrentHashMap的數據結構

首先我們來看concurrenthashmap數據結構的圖示，有個整體的認識。

圖里的是主要組成表示，我們更加具體的去分析concurrenthashmap的數據結構要分為concurrenthashmap的數據結構、segment的數據結構以及hashEntry的數據結構。重要的數據結構我們會解析用途以便大家更好的理解算法實現部分。

常量

• DEFAULT_INITIAL_CAPACITY：默認初始容量16，與hashmap相同。
• DEFAULT_LOAD_FACTOR：默認裝填因子0.75
• DEFAULT_CONCURRENCY_LEVEL：默認并發級別16。其實就是segment個數，那為什么叫并發級別而不是segment數量呢？這里有必要細講一下，我們知道concurrenthashmap是通過分段鎖來實現高效并發的，這里的鎖就是指segment，每個segment持有一把鎖管理自身的數據。所以有幾個segment就有幾把鎖，也就是幾的并發級別。另外，segment初始化之后數量不會再改變。
• MAXIMUM_CAPACITY：最大容量。
• MAX_SEGMENTS：最大并發級別。
• RETRIES_BEFORE_LOCK：查詢操作無鎖獲取嘗試次數。即某些查詢操作先不加鎖獲取，如果獲取的結果不對（獲取期間concurrenthashmap值變化）重試，如果超過嘗試次數，再進行加鎖獲取操作。

實例變量

• segmentMask/segmentShift：計算對應的segment索引使用。
• segments：對應的segment數組。
• keySet/entrySet/values：對應的key、entry set集合。值的values集合。

segment

我們有必要對segment單獨的進行數據結構分析，因為主要的算法實現都是在segment中，segment是concurrenthashmap的靈魂?？梢园裺egment看做是線程安全的hashmap，因為數據結構與hashmap非常相似。

• 繼承 ReentrantLock：因此segment具有鎖的特性，可以對自身進行加鎖解鎖等操作。
• count/modCount/threshold/loadfactor：數量、修改次數、擴容臨界值、裝填因子。
• hashEntry[]：真正存儲數據的節點類數組。數據結構如開篇圖示。

concurrenthashmap重要算法實現

正如上文提到的，concurrenthashmap的靈魂是segment，segment的算法實現是整個concurrenthashmap的基礎，我們會著重分析segment的實現。

構造方法

多個構造方法，只討論最核心的構造方法。主要分為下面幾個步驟：

• 校驗參數：校驗入參初始容量、裝填因子、并發級別合法性。
• 根據并發級別確定segment數組大小：segment也得是2的指數大小。segmentmask為segment的大小-1，segmentshift為32減去調整并發級別次數。
• 初始化segment：這里有段代碼值得討論。

        int c = initialCapacity / ssize;
        if (c * ssize < initialCapacity)
            ++c;
        int cap = 1;
        while (cap < c)
            cap <<= 1;

        for (int i = 0; i < this.segments.length; ++i)
            this.segments[i] = new Segment<K,V>(cap, loadFactor);

這段代碼計算cap的最終目的是為了確認初始化segment大小，讓cap與segment總數的乘積要大于等于初始容量的大小。

重要算法

需要說明的是除了全局的算法，大部分算法都是確定是哪個segment，然后調用segment方法。分為四類探討增刪改查，另外不接受null的value。

查

• isEmpty()：需要校驗所有的segment，所有算法實現要考慮的比hashmap要多。主要分為兩步：初次校驗、再次校驗。這兩步很多方法用到，需要著重理解。
  • 初次校驗: 遍歷所有segment，如果count不為0返回false，并記錄每個segment的modcount以及所有的modcount以便再次校驗。
  • 再次校驗:總modcount為0說明為空。不為0說明有值，那么就可能存在初次校驗時發生值修改的情況，需要再次校驗。遍歷segment，如果count不為0以及每個modcount發生修改就返回false。
• size()：即所有segment的count和。先不加鎖獲取，失敗加鎖獲取。
  • 不加鎖獲取：循環次數由RETRIES_BEFORE_LOCK決定。先遍歷segment記錄和、每個modcount以及總modcount。如果modcount不為0需要再次校驗，校驗時modcount不符則強制加鎖讀取，否則獲取第二次校驗和。兩次和相同即為size，不同再次循環。
  • 加鎖獲取：兩次的和不同的前提。遍歷segment加鎖、遍歷取和、遍歷解鎖。返回和值。
• get(key)：根據hash值找到對應的segment，然后調用segment的get方法。
  • segment---get(key,hash)：如果count為0直接返回null。根據hash值得到對應entry的首節點，遍歷節點，沒找到返回null，找到了返回對應的value。但是這里需要注意的是get是不加鎖操作，可能get時有線程修改value導致對應key的value為null，這時候需要加鎖讀取了（readValueUnderLock(e)）
• containskey(key):根據hash值找到對應segment，調用contain方法
  • segment---containsKey(key,hash)：如果count為0直接返回false。根據hash值得到對應entry數組索引的首節點。遍歷節點，存在返回true，否則返回false。
• containsValue(value)：因為value存在的segment不確定，需要遍歷所有的segment。與size的操作相同，先不加鎖執行，然后如果需要在加鎖執行。主要分為三步：
  • 不加鎖讀取：遍歷segment，調用segment的containsvalue方法，包含返回true，否則執行不加鎖校驗方法。
  • 不加鎖校驗：總modcount不為0，校驗每個segment的modcount，如果有不相同說明值發生改變需要加鎖讀取，如果modcount沒變說明不包含指定value，返回false。
  • 加鎖讀取：遍歷segment加鎖。遍歷segment調用containsvalue，存在返回true，否則返回false，遍歷解鎖。

增（put(key,value)/putIfAbsent(key,value)）

增加方法也是調用segment的put(key,hash,value,boolean onlyIfAbsent)。onlyifabsent如果為true，則如果segment存在key不替換value。put默認替換value。put方法先lock，然后進行put操作。put方法跟hashmap類似，此處不贅述。

刪（remove(key)/remove(key,value)）

刪除方法也是調用segment的remove(key,hash,value)方法。先找到要刪除的節點，找到后刪除節點，但是這里的刪除跟hashmap中的有所不同，因為hashentry的next是final的不可改變，所以只能新建節點，next指向刪除節點的next，然后克隆刪除節點前繼節點，這樣就完成了刪除操作。
另外clear方法是遍歷segment，調用segment的clear方法。clear方法加鎖，遍歷hashentry數組置null。

改

修改方法有兩個，一個是replace(key,value)調用segment的replace(key,hash,value)，另一個是replace(key,oldvalue,newvalue)調用segment的replace(key,hash,oldvalue,newvalue)。
- segment---replace(key, hash, value)：先加鎖，然后遍歷節點找到對應的節點，替換value。如果不存在key對應的節點就返回null。
- segment---replace(key, hash,oldvalue,newvalue)：跟上面的方法類似，不同的是如果節點里的value跟傳入的oldvalue不同也不進行替換。

深入探討

concurrenthashmap的弱一致性

什么叫弱一致性？理想的強一致性就是放入一個元素后，立即獲取元素就是剛放入的元素，但是concurrenthashmap可能某時間段看不到這個元素。如下圖兩個線程執行順序：

與hashtable、collections封裝后的SynchronizedMap比較

其實還可以加入concurrenthashmap的segment。

• hashtable：使用synchronized關鍵字對方法進行修飾。
• SynchronizedMap：使用一個mutex對象作為鎖，每次訪問方法必須要獲取mutex對象的鎖。
• segment：使用ReentrantLock作為鎖，訪問方法時lock進行加鎖
• concurrenthashmap：多個segment。
  一對比就可以看出concurrenthashmap引入并發級別的策略，可以讓concurrenthashmap在多線程環境的性能更加突出，速度也更快。